本发明专利技术公开一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置，包括食指舵臂，食指舵臂与食指舵机转动连接，食指舵机与底板的连接，底板的上表面安装有棘轮舵机和旋转编码器，旋转编码器通过旋转轴连接有小齿轮；食指交错层通过轴杆与拇指交错层活动连接形成铰链结构；棘轮舵机底端转动连接有棘齿的一端，棘齿的另一端用于与弹簧棘轮卡接；拇指交错层和食指交错层上方的转轴上活动连接有大齿轮，大齿轮与小齿轮啮合，食指交错层的顶部安装有交错层舵机，交错层舵机的输出轴与转轴的顶端连接；拇指交错层的顶部与拇指舵机连接，拇指舵机与拇指舵臂转动连接，拇指舵臂上安装有超声波测距模块，拇指舵臂上滑动连接有拇指滑块。拇指舵臂上滑动连接有拇指滑块。拇指舵臂上滑动连接有拇指滑块。
【技术实现步骤摘要】
一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置
[0001]本专利技术涉及VR力反馈
，特别是涉及一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置。
技术介绍
[0002]当前的计算机图形和显示技术使虚拟现实体验在视觉上更加具有真实度。在这些虚拟现实空间中，用户不仅可以观看，甚至还可以与场景中的物体进行交互。电子游戏如果搭配上触觉反馈会更受玩家青睐，因为它增强了玩家在游戏中的真实感，能够让玩家沉浸其中进行游戏。在医学、教育教学领域和其他应用中，触觉增加了传送给大脑的很多细节信息，在某种程度上提高了使用者解决问题的效率。在计算机虚拟现实技术的发展中，虚拟三维环境的仿真与交互技术是研究热点。在虚拟环境的仿真与交互中，力反馈系统提供了力觉的输入输出，因此，力反馈作为一种新型的人机交互技术被引入到交互式虚拟环境仿真研究中。借助力觉交互设备，人们可以测量模拟受力状态而感知物体的大小、形状和运动状态等。目前市面上大部分的力反馈设备灵活性较差并且造价高昂、普及率低，因此新的精度高、性价比高的力反馈设备的研究具有重要意义。
[0003]通常情况下，振动触觉反馈被用作触觉渲染。虽然振动触觉反馈可以通知碰撞的产生并支持精细操作，但它更多地用作碰撞的通知，不适合连续触摸下连续表示阻力反馈，或握住物体时的重量感等。此外，能通过振动触觉反馈进行的渲染物理属性非常有限，不足以渲染形状和刚度等信息。
[0004]可穿戴设备和外骨骼设备都解放了用户的手和手指，以便与虚拟环境直接交互，以在各种尺度和分辨率上呈现触觉。外骨骼设备通过覆盖用户手部，机械地向手指施加力。
[0005]基于手套之类的可穿戴设备重量较大，移动区域受到限制，进而出现了约束手指、手或手臂周围的运动的简化设备，可以使用直流电机控制拉动连接在指环中的线的张力。
[0006]另外还有接地或挂载方式平摊重量的解决方案，将设备的底座连接到环境的某个东西上，用户抓住设备的一部分，这部分通过接头或绳索连接到底座上。它们可以将净力传递给用户以呈现大的触觉力和碰撞，但通常以降低移动性和操作空间为代价。
[0007]模拟工具形状的手持设备，提供了间接交互的解决方案。在虚拟环境中用户通过手持工具与物品进行交互，改善特定虚拟物体的触觉实现，例如模拟赛车游戏里的方向盘。另外还有改变物体质量属性例如质心、重量分布等属性。虽然这些被动附件很简单，但它们基本上是专门专用的，因此在渲染多种类型的对象或可变形或可自定义的对象时效果较差，不太能有效地渲染其他表现或变形。
技术实现思路
[0008]本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于感知虚拟物品物理属性的VR 力反馈装置，可用于感知虚拟物体。它将用户拿取物品的动作简化为拇指、食指和中指一同与虚拟物体进行交互的过程，可以模拟拇指与食指捏取物品。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0010]一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置，包括食指舵臂、食指舵机、拇指舵臂、拇指舵机、扭簧、交错层舵机、旋转编码器、超声波测距模块、运动传感器模块、Arduinonano主板和底板，所述食指舵臂与食指舵机转动连接，食指舵机与底板的连接，所述底板的上表面安装有棘轮舵机和旋转编码器，所述旋转编码器通过旋转轴连接有小齿轮；
[0011]所述底板的上表面通过连接柱连接有若干食指交错层，所述食指交错层之间均设有拇指交错层，所述食指交错层通过轴杆与所述拇指交错层活动连接形成铰链结构；拇指交错层底部安装有弹簧棘轮，弹簧棘轮中部设有连接孔，所述轴杆的底端依次穿过所述连接孔、扭簧并与底板固定连接；所述扭簧的一端固定在拇指交错层底部，另一端与底板固定；所述棘轮舵机底端转动连接有棘齿的一端，棘齿的另一端用于与弹簧棘轮卡接；
[0012]拇指交错层和食指交错层上方的转轴上活动连接有大齿轮，所述大齿轮与所述小齿轮啮合，所述食指交错层的顶部安装有框架结构，通过所述框架结构安装有所述交错层舵机，所述交错层舵机的输出轴与转轴的顶端连接；
[0013]所述拇指交错层的顶部与所述拇指舵机连接，所述拇指舵机与拇指舵臂转动连接，拇指舵臂的另一端安装有超声波测距模块，所述拇指舵臂的一侧滑动连接有拇指滑块，所述拇指滑块上贯穿连接有弹簧；拇指舵臂的另一侧固定有Arduinonano主板；
[0014]所述底板的底部还安装有运动传感器模块，所述旋转编码器、运动传感器模块和超声波测距模块均通过线缆与所述Arduinonano主板连接。
[0015]所述弹簧棘轮由连接板、圆形齿盘构成，所述连接板与拇指交错层固接，连接板下方通过空心圆柱体相连，空心圆柱体中部设置有所述连接孔。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
[0017]1.为了完成手部姿态捕捉以便下一步的碰撞检测，本专利技术使用了旋转编码器获取拇指和食指之间的夹角，超声波测距模块获取大拇指相对位置进行手部姿态的捕捉。接触的瞬间通过控制拇指和食指的舵机速度模拟用户两指之间感受到的冲击力；持续抓握物体时通过是否接入弹簧棘轮及虎口处交错层舵机挤压交错层提供的摩擦力，来模拟大拇指和食指捏取柔体感受到的阻力。
[0018]2.本专利技术通过设置食指舵臂、食指舵机、拇指舵臂、拇指舵机，使得VR力反馈装置中通过拇指舵机、食指舵机角度和速度的变化间接拟合连续的力反馈,可以为用户拇指和食指渲染捏取物体的力反馈。为设计人员提供了廉价的解决方案，降低了爱好者开发改进的门槛。
[0019]3.拇指使人类拥有准确的抓握能力进而使用各种各样的工具，手部的基本动作中，拇指独立于其他四指，活动范围更广。本专利技术装置可理解为将拇指外其他四指简化为一个整体，并在此基础上忽略其他关节只注重于拇指和食指中指指尖的受力情况。
[0020]4.该装置采用模块化设计方法，输入输出参量简单，接线方便，扩展性好，3D打印其外壳。机械结构安装简单轻便，易于维护。为设计人员提供了性价比高的解决方案，降低了爱好者开发改进的门槛。
附图说明
[0021]图1为本专利技术VR力反馈装置的三维立体结构示意图；
[0022]图2、图3和图4为本专利技术VR力反馈装置不同视角下的结构示意图；
[0023]图5、图6和图7分别为扭簧、弹簧棘轮、棘齿部分的结构示意图；
[0024]图8为本专利技术VR力反馈装置的部分放大结构示意图；
[0025]图9为本专利技术VR力反馈装置中涉及的核心硬件结构组织图。
[0026]附图标记：1
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食指舵臂，2
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食指舵机，3
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棘轮舵机，4
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旋转编码器，5
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拇指舵臂，6
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拇指舵机，7
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扭簧，8
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弹簧棘轮，9
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棘齿，10
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交错层舵机，11
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食指交错层，12
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拇指交错层，13...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于感知虚拟物品物理属性的VR力反馈装置，其特征在于，包括食指舵臂(1)、食指舵机(2)、拇指舵臂(5)、拇指舵机(6)、扭簧(7)、交错层舵机(10)、旋转编码器(4)、超声波测距模块(16)、运动传感器模块(17)、Arduino nano主板(18)和底板(19)，所述食指舵臂(1)与食指舵机(2)转动连接，食指舵机(2)与底板(19)的连接，所述底板(19)的上表面安装有棘轮舵机(3)和旋转编码器(4)，所述旋转编码器(4)通过旋转轴连接有小齿轮(20)；所述底板(19)的上表面通过连接柱连接有若干食指交错层(11)，所述食指交错层(11)之间均设有拇指交错层(12)，所述食指交错层(11)通过轴杆与所述拇指交错层(12)活动连接形成铰链结构；拇指交错层(12)底部安装有弹簧棘轮(8)，弹簧棘轮(8)中部设有连接孔，所述轴杆的底端依次穿过所述连接孔、扭簧(7)并与底板(19)固定连接；所述扭簧(7)的一端固定在拇指交错层(12)底部，另一端与底板(19)固定；所述棘轮舵机(3)底端转动连接有棘齿(9)的一端，棘齿(9)的另一端用于与弹簧棘轮(8)卡接；拇...
【专利技术属性】
技术研发人员：陶文源，李晓婧，孙倩，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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